Akkus und Powerbanks lagern, nachladen

Akkus und Powerbanks sind heute allgegenwärtig. Wenn man sie gut behandelt, funktionieren sie über diverse Jahre. Hier kommen einig Tipps, die auf vielen Jahren Erfahrung beruhen. Speziell zu Blei-Gel-Akkus habe ich schon eine eigene Seite geschrieben.

Einige Hintergründe

Lithium-Akkus gibt es mit ganz unterschiedlichen Bauformen und Funktionsweisen. Bei mobilen Geräten sind diverse Formen von Lithium-Ionen-Akkus üblich, weil sie, bezogen auf die gespeicherte Energie, am leichtesten und kleinsten sind. Je größer die Kapazität ist, um so wahrscheinlicher trifft man auf LiFePO₄-Chemie, die besonders langlebig und unkompliziert ist. Aber die Handhabung ist bei wohl allen Lithium-basierten Akkus ganz ähnlich:

Es gibt Grenzwerte für minimale und maximale Spannungen und Ströme, die man beim Laden und Entladen einhalten muss.
Für ein langes Leben sollte man die Extremwerte meiden. Wer mehrere 1000 Ladezyklen erleben will, sollte auf die Nutzung der letzten 20-25% der Kapazität verzichten. Zum Vergleich: Bei Blei-Akkus erreicht man bei Nutzung der oberen 50% der Kapazität nur wenige 100 Ladezyklen. Dann hat man schon 20% der Kapazität verloren. LiFePO₄-Akkus erreichen bei den hier beschriebenen Betriebsbedingungen mehrere 1000 Ladezyklen. Lebensdauern von 10 Jahren sind so durchaus realistisch, während Blei-Gel-Akkus in vielen Anwendungen nach drei Jahren ausgetauscht werden müssen.
Eine spezielle Eigenschaft von Lithium-Akkus ist, dass die Klemmenspannung über einen weiten Ladungsbereich nahezu konstant ist. Anders als bei früheren Akku-Techniken kann man deshalb nur sehr schwer von der Kleimmenspannung auf den Ladezustand schließen. Deshalb enthalten viele Geräte ein Akku-Management, das vor allem die Lade- und Entladeströme überwacht. Diese Systeme sind allerdings nur zuverlässig, wenn der Akku häufig genutzt wird: Das Akku-Management braucht selbst etwas Energie, die aber nur schwer zu messen ist. Zudem bräuchte dieses Messsystem selbst auch wieder Energie.
Eine einzelne Lithium-Zelle liefert grob 3-4 V. Die meisten Kapazitätsangaben beziehen sich auf diese Zellen, ggf. multipliziert mit der Zahl der verbauten Zellen. 12-V-Akkus haben typisch 4 in Serie geschaltete Zellen, deren Kapazitäten addiert werden. Im Gegensatz dazu sind bei Blei-Akkus Kapazitätsangaben für die Betriebsspannung üblich. Ein Blei-Akku 12 V/7 Ah hätte nach Lithium-Rechenweise also 7 Ah * 6 = 42 Ah. Umgekehrt enthält ein 12-V-Lithium-Akku nur vier Zellen. Das bedeutet beispielsweise für Powerbanks, dass man den Ladestrom der eingebauten Lithium-Zelle messen kann, beim Entladen aber in Ah bedeutend weniger raus kommt: Die nominell 3,6 V der Zelle werden mit einem Spannungswandler auf 5 V erhöht.
Die Selbstentladung von Lithium-Akkus ist bedeutend geringer, als bei frühern Techniken wie Blei oder NiCd. Einzelne Zellen ohne irgendwelche Elektronik kann man meist ein Jahr lagern, ohne sich weiter um sie kümmern zu müssen.
Während man bei tiefentladenen Blei-Akkus irgendwelche Reparaturversuche starten kann, sollte man darauf speziell bei Lithium-Ionen-Akkus verzichten: Man riskiert interne Kurzschlüsse, die im Extremfall zum Abbrennen des Akkus führen.

Was ist pflegliche Behandlung?

Der erste Grundsatz ist: Die Akkus möglichst frühzeitig wieder aufladen. Wer das Ladegerät grundsätzlich erst anschließt, wenn das Smartphone Warnungen anzeigt, strapaziert seinen Akku massiv. Immer wieder geistert das Wort Speichereffekt durch die Gegend. Das bezieht sich vor allem auf NiCd-Akkus, die wegen des giftigen Cadmiums fast ausschließlich verboten sind.

Wenn das eingebaute Batteriemanagement das hergibt und man nicht unbedingt auf die maximale Kapazität angewiesen ist, kann man die Ladegrenze bei einer Zelle z.B. auf 90% einstellen. Das gilt in dieser Form aber nicht, wenn man mehrere Zellen hintereinander schaltet – also bei Akkuspannungen von 7,2 V oder höher.

Der Grund dafür: Das Batteriemanagement (battery management system, BMS) kann unterschiedliche Ladezustände der Zellen nur bei vollem Akku zuverlässig erkennen und einen Zellenausgleich durchführen. Um das zu optimieren, sollte man möglichst am fahrikneuen Akku ein paar Messungen durchführen. Die hier genannten Messwerte gelten für meinen 12,8-V-LiFePO₄-Akku:

Fabrikneu maß ich eine Klemmenspannung von 13,4 V.
Mit einem geringen Ladestrom (5 A bei 150 Ah Kapazität) stieg die Klemmenspannung langsam bis auf gut 13,5 V an, um dann viel steiler anzusteigen.
Ab 13,6 V konnte ich sehr schnelle Schwankungen beim Ladestrom beobachten. Hier führte ganz offensichtlich das BMS einen Teil des Ladestroms an einer Zelle vorbei, die bereits voll war.
Jenseits von 13,8 V nahm der Akku nur noch sehr wenig Ladung auf. Als Grenzwert waren 14,5 V angegeben, ich beendete meine Untersuchung aber bei 14,2 V.

Mit exakt dieser Beobachtung bin ich nicht allein. [1]

Jenseits von 13,8 V könnte ich in einen 150-Ah-Akku vielleicht noch 2-3 Ah reinpressen. Darauf kann ich verzichten. So lange ich den Akku nicht völlig entlade, machen auch kleine Unterschiede im Ladezustand nichts aus.

Mein Ladealgorithmus sieht mittlerweile so aus:

Die Ladeschlussspannung ist 13,8 V.
Dann folgt eine 20 min lange Konstandspannungs-Phase.
Danach reduziert mein Laderegler 13,5 V.
Im Wesentlichen fließt dann nur noch der Strom, den die Verbraucher aufnehmen.

In der Praxis sinkt die Systemspannung meiner Notstromversorgung kam je unter 13 V. Die Batterieüberwachung hat als Minimalspannung 12,92 V gespeichert. Diese Spannung tritt wohl bei der Stromspitze auf, wenn der Kühlschrank-Kompressor anläuft. Dann ziehe ich bei 300 Ah Akkukapazität etwa 70 A. Die maximale Entladung war bislang 211 Ah.

Noch ein paar Erläuterungen zum Diagramm rechts, das einen zweistündigen Ausschnitt zeigt: Zunächst bekommen die Akkus so viel Strom, wie die Solarmodule hergeben. Bei 13,8 V schaltet der Laderegler in den Konstantspannungsbetrieb, worauf der Ladestrom steil abfällt. Die Stromspitzen, die im Abfall auftreten, ordne ich dem BMS zu. Der Ladestrom wird null, als der Laderegler auf Erhaltungsladung mit 13,5 V umschaltet. Bei 13,6 V schaltet zufällig der Kühlschrank ein, erkennbar am kurzen Spannungseinbruch. Die reichlich 6 A gehen direkt zum Wechselrichter. Nach gut einer halben Stunde, draußen waren es etwa 30°C, schaltet der Kompressor ab. Die verbleibenden 12-15 W entsprechen den Verlusten des Wechselrichters plus der Stromaufnahme des Kühlschranks, z.B. für den Umwälz-Ventilator. Dann springt der Kompressor wieder an.

Wer sich über die Stromeinbrüche im linken Teil wundert: Alle 10 min sucht der MPPT-Laderegler nach dem optimalen Arbeitspunkt. Dazu ändert er die Spannung der Solarmodule über einen großen Bereich. Bei teilweise abgeschatteten Modulen kann es durchaus zwei Maxima geben.

Praxistipps

Aus all dem leite ich einge Folgerungen ab:

Einzelne Lithium-Zellen sollte man für ein Jahr einlagern können, ohne sich darum kümmern zu müssen. Dafür sollte man den Akku aber aus dem Gerät entnehmen. Bei meinen Notfall-Funkgeräten konnte ich auch nach 6 Monaten kaum noch etwas nachladen.
Die Akkus vor dem Einlagern zu entnehmen gilt verschärft für Geräte, die mit einem Taster ein- und ausgeschaltet werden: Hier muss nicht nur die Elektronik ständig den Taster überwachen, sondern diese Konstruktion ist auch noch besonders billig herzustellen...
Wenn die Zellen dauerhaft mit Elektronik verbunden sind, sollte man sich häufiger darum kümmern. Beispiel: Zu meinen Notfall-Funkgeräten gehört jeweils eine 10-Ah-Powerbank. Diese Powerbanks haben eine numerische Kapazitätsangabe. Nach 8 Monaten konnte ich typisch 2 Ah nachladen, obwohl die Kapazitätsangabe nach wie vor 100% anzeigte.
Batterien enthalten mehr oder weniger nasse Chemie. In der Chemie gibt es die allgemeine Beobachtung, dass 10°C (exakter: 10 K) Temperaturerhöhung die Redaktionsgeschwindigkeit verdoppelt. Es lohnt sich also, Akkus möglichst kühl zu lagern.
In der Bedienungsanleitung eines professionellen Quadcopters las ich den Hinweis, man solle die Akkus erst kurz vor dem Einsatz voll aufladen und zum Lagern den Ladezustand auf 70% reduzieren. Das gilt natürlich für einen extremer Einsatzfall, aber trotzdem bedenkenswert.

Verweise

Youtube-Kanal Off-Grid Garage: Automatic Active Balancer - The Evolution in Balancing. But...: In diesem Video wird an einem offenen Akku gezeigt, warum ein Balancer erst an genau meiner Schwelle von 13,6 V anfangen kann, die Ladungsunterschiede zwischen den in Serie geschalteten Zellen auszugleichen.